水素エネルギー製造技術の革新、普及、応用 ― アリーハイテックの事例紹介
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編集者注：これはもともとWechat公式アカウント：中国シンクタンクによって公開された記事です。
3月23日、国家発展改革委員会と中国国家能源局は共同で、水素エネルギー産業発展の中長期計画（2021～2035年）（以下、計画）を発表した。そして、水素エネルギーは将来の国家エネルギーシステムと戦略的新産業の重要な方向性の不可欠な部分であると提案した。燃料電池自動車は、中国における水素エネルギー応用の主要分野であり、産業発展の画期的な進歩です。
2021年には、国家の燃料電池車実証・応用政策により、北京、天津、河北、上海、広東、河北、河南の5都市集積が相次いで立ち上げられ、1万台の大規模な燃料電池車の実証・応用が始まった。が発足し、燃料電池自動車の実証・応用を核とした水素エネルギー産業の発展が本格化している。
同時に、鉄鋼、化学産業、建設などの非輸送分野における水素エネルギーの応用と探査においても画期的な進歩が見られました。将来的には、水素エネルギーの多様化・多元化により、大きな水素需要が見込まれます。中国水素エネルギー連合の予測によると、2030年までに中国の水素需要は3,500万トンに達し、水素エネルギーは中国のターミナルエネルギーシステムの少なくとも5％を占めるだろう。2050年までに水素の需要は6000万トン近くに達し、水素エネルギーは中国の終末エネルギーシステムの10％以上を占め、産業チェーンの年間生産額は12兆元に達すると予想されている。
産業発展の観点から見ると、中国の水素エネルギー産業はまだ発展の初期段階にある。水素エネルギーの応用、実証、推進の過程において、エネルギー用水素の供給不足と高コストは常に中国の水素エネルギー産業の発展を制限する困難な問題となっている。水素供給の中核として、車両用水素の工場出荷価格の高さ、保管・輸送コストの高さといった問題が依然として顕著である。
したがって、中国は低コストの水素製造技術の革新、普及、応用を加速し、水素エネルギー供給コストを削減して実証応用の経済性を改善し、燃料電池自動車の大規模実証応用を支援し、そして、水素エネルギー産業全体の発展を推進します。
水素価格の高騰は中国の水素エネルギー産業の発展における顕著な問題である
中国は水素生産大国です。水素の生産は、石油化学、化学、コーキングなどの産業に分散されています。製造された水素のほとんどは、石油精製、合成アンモニア、メタノールなどの化学製品の中間生成物として使用されます。中国水素エネルギー連合の統計によると、現在の中国の水素生産量は約3,300万トンで、主に石炭、天然ガスなどの化石エネルギーや産業副生ガスの精製によって生産されている。このうち石炭からの水素製造量は2,134万トンで63.5％を占めます。工業副生水素と天然ガス水素の生産が続き、生産量はそれぞれ708万トンと460万トンである。水の電気分解による水素の製造量は約50万トンと比較的少ない。
工業用水素の生産プロセスは成熟し、産業チェーンが完成し、入手は比較的便利ですが、エネルギー水素の供給は依然として大きな課題に直面しています。水素製造の原料コストと輸送コストの上昇は、水素の最終供給価格の上昇につながります。水素エネルギー技術の大規模普及・応用を実現するには、高い水素取得コストと輸送コストというネックを打破することが鍵となります。既存の水素製造方法の中で、石炭水素製造はコストは低いものの、炭素排出量が高い。大規模産業における水の電気分解による水素製造のエネルギー消費コストは高額です。
低電力でも水素製造コストは20元/kg以上。再生可能エネルギーの電力放棄による水素製造の低コストかつ低炭素排出レベルは、将来の水素を入手するための重要な方向性です。現在、この技術は徐々に成熟していますが、取得場所は比較的遠隔であり、輸送コストが非常に高く、プロモーションや応用シナリオがありません。水素のコスト構成から見ると、エネルギー水素価格の30～45％が水素の輸送・充填コストとなります。高圧ガス水素をベースとした既存の水素輸送技術は、車両単体の輸送量が少なく、長距離輸送の経済価値が乏しく、固体貯蔵・輸送技術や液体水素の技術も未成熟である。水素ステーションにおけるガス水素の外部委託は依然として主流である。
現在の管理仕様では、依然として水素が有害化学物質管理としてリストされています。大規模な工業用水素生産には、化学工業団地に参入する必要があります。大規模な水素生産は分散型車両用の水素需要に見合わず、その結果、水素価格が高騰します。画期的な進歩を達成するには、高度に統合された水素の製造および燃料補給技術が緊急に必要とされています。天然ガス水素製造は価格水準がリーズナブルであり、大規模かつ安定した供給が可能です。したがって、天然ガスが比較的豊富な地域では、天然ガスをベースとした統合型の水素製造・給油ステーションが実現可能な水素供給オプションであり、コストを削減し、一部の地域での給油という困難な問題を解決するために水素給油ステーションを推進する現実的な道である。地域。現在、世界にはスキッドマウント型統合水素製造ステーションが約237カ所あり、海外の水素ステーション総数の約3分の1を占めている。中でも、日本、ヨーロッパ、北米などの地域では、ステーション内での水素製造・燃料補給一体型ステーションの運用形態が広く採用されています。国内の状況としては、佛山市、濰坊市、大同市、張家口市などが、統合型の水素製造・燃料補給ステーションの建設と運営の試験的な検討を開始している。水素管理と水素製造の政策と規制が画期的に進歩した後は、統合された水素製造と燃料補給ステーションが、水素燃料補給ステーションの商業運転にとって現実的な選択肢となることが予測できます。
アライハイテックの水素製造技術の革新、普及、応用における経験
中国の水素製造分野の大手企業として、アリーハイテックは設立以来20年以上にわたり、新エネルギーソリューションと先進的な水素製造技術の研究開発に注力してきました。小規模天然ガス水素製造技術、接触酸化メタノール水素製造技術、高温水電解水素製造技術、アンモニア分解水素製造技術、小規模合成アンモニア技術、大型モノマーメタノールコンバータ、一貫水素製造分野水素化システム、自動車用水素指向性精製技術など、上記のような最先端の技術分野で多くの画期的な進歩が遂げられています。
水素製造の技術革新を引き続き推進します。
アリーハイテックは常に水素製造を事業の中核としており、メタノール変換、天然ガス改質、PSAによる水素の方向性精製など、水素製造における技術革新を続けています。このうち、同社が独自に開発・設計したメタノール転換水素製造装置は1台で20,000Nm 3/hの水素製造能力を有する。最大圧力は3.3Mpaに達し、国際先進レベルに達し、低エネルギー消費、安全性と信頼性、簡単なプロセス、無人などの利点があります。同社は天然ガス改質（SMR法）による水素製造技術で画期的な進歩を遂げた。
熱交換改質技術を採用し、一式の装置で最大30000Nm 3/hの水素製造能力を発揮します。最大圧力は3.0MPaに達し、投資コストが大幅に削減され、天然ガスのエネルギー消費量が33%削減されます。圧力スイング吸着（PSA）水素指向性精製技術に関して、同社はさまざまな水素精製技術一式を開発しており、単一セットの装置の水素製造能力は100,000 Nm 3/hです。最高圧力は5.0MPaです。高度な自動化、簡単な操作、良好な環境、長い耐用年数という特徴があります。工業用ガス分離の分野で広く使用されています。
図1：アライハイテック社が設置したH2製造設備
水素エネルギーシリーズ商品の開発・推進に注目。
アリーハイテックは、水素製造技術の革新と製品開発を行う一方で、下流水素燃料電池分野での製品開発の拡大に注目し、触媒、吸着剤、制御弁、モジュール式小型水素の研究開発と応用を積極的に推進しています。水素製造装置や長寿命燃料電池電源システムの開発、水素製造・水素化一貫ステーションの技術・設備の推進を強力に推進しています。製品のプロモーションに関しては、Ally Hi-Tech エンジニアリング デザインの専門資格が包括的です。水素エネルギーソリューションの製品とサービスをワンストップで提供することに注力しており、製品の市場応用を急速に推進しています。
水素製造装置の応用では画期的な進歩が見られました。
現在、アリーハイテックは620台以上の水素製造装置と水素精製装置を製造しています。その中で、アリーハイテックは、メタノール水素製造装置300セット以上、天然ガス水素製造装置100セット以上、大型PSAプロジェクト装置130セット以上を推進し、数多くの水素製造プロジェクトに取り組んできました。国民的な話題。
Ally Hi-Techは、Sinopec、PetroChina、Zhongtai Chemical、Plug Power Inc. America、Air Liquid France、Linde Germany、Praxair America、Iwatani Japan、BPなどの国内外の有名企業と協力しています。同社は、中小規模の水素製造装置の分野で世界最大の供給量を誇る、完全な装置サービスプロバイダーの 1 つです。現在、アリーハイテクの水素製造装置は、米国、日本、韓国、インド、マレーシア、フィリピン、パキスタン、ミャンマー、タイ、南アフリカなど16の国と地域に輸出されている。2019年、アリー・ハイテックの第3世代一貫天然ガス水素製造装置がアメリカン・プラグ・パワー社に輸出され、米国規格に完全に従って設計・製造され、中国の天然ガス水素製造装置の先例となった。米国に輸出されることになる。
図2. アリーハイテックが米国に輸出した水素製造・水素化統合装置
水素製造・水素化統合ステーションの第一陣を建設。
エネルギー源としての水素の不安定な供給源と高価格という現実的な問題を考慮して、アライ・ハイテックは、高度に統合された水素製造技術の応用を促進し、既存の成熟したメタノール供給システム、天然ガスパイプラインネットワーク、CNG、およびLNG 充填ステーションは、統合された水素製造および燃料補給ステーションを再構築および拡張します。2021年9月、アリーハイテックの一般契約に基づく国内初の統合天然ガス水素製造・水素化ステーションが佛山ガス南庄水素化ステーションで稼働を開始した。
このステーションは、1000kg/日の天然ガス改質水素製造ユニット1セットと100kg/日の水電解水素製造ユニット1セットで設計されており、外部水素化能力は1000kg/日です。典型的な「水素製造＋圧縮＋貯蔵＋充填」一体型水素化ステーションです。環境に優しい広範囲温度変化触媒と方向性共精製技術を業界に先駆けて適用し、水素製造効率を3%向上させ、水素製造のエネルギー消費を効果的に削減します。このステーションは、高い集積度、小さな床面積、高度に集積された水素製造装置を備えています。
ステーション内での水素の生産により、水素の輸送リンクと水素の貯蔵および輸送のコストが削減され、これにより水素消費コストが直接削減されます。このステーションは、長いチューブトレーラーを充填し、周囲の水素化ステーションに水素源を提供する親ステーションとして機能する外部インターフェイスを予約しており、地域の水素化サブ親統合ステーションを形成します。また、この統合型水素製造・水素化ステーションは、ガソリンスタンドやCNG・LNG給油所だけでなく、既存のメタノール流通システムや天然ガスパイプライン網等の設備をベースに再構築・拡張することも可能であり、推進・促進が容易です。埋め込む。
図3 広東省佛山市南庄の水素製造・水素化統合ステーション
業界の革新、促進と応用、国際交流と協力を積極的にリードします。
国家トーチプログラムの主要ハイテク企業、四川省の新経済実証企業、四川省の専門的かつ特別な新規企業として、アリーハイテックは積極的に業界の革新をリードし、国際交流と協力を促進しています。アリーハイテックは2005年以来、上海安亭水素給油所、北京オリンピック水素給油所、上海万博水素給油所といった国家863件の主要燃料電池プロジェクトに水素製造技術と設備を次々と提供し、全ての水素製造ステーションプロジェクトを提供してきました。高い基準を備えた中国の宇宙発射センター。
アリーハイテックは、国家水素エネルギー標準化委員会のメンバーとして、国内外の水素エネルギー標準システムの構築に積極的に参加し、1つの国家水素エネルギー標準の起草を主導し、7つの国家標準の策定に参加してきました。そして1つの国際規格。同時に、アリーハイテックは国際交流と協力を積極的に推進し、日本に成川科技有限公司を設立し、新世代の水素製造技術、SOFCコージェネレーション技術および関連製品の開発、企業との協力を実施してきました。新しい水電解水素製造技術や小規模合成アンモニア技術の分野で、米国、ドイツ、日本での研究開発を行っています。中国、米国、欧州連合から 45 件の特許を取得している Ally Hi-Tech は、典型的なテクノロジーベースの輸出志向企業です。
政策提案
上記の分析によると、アリーハイテックは、水素製造技術の革新に基づいて、水素製造装置の開発、水素製造装置の普及と応用、統合型水素製造・給油ステーションの建設と運営において画期的な進歩を遂げた。これは、中国の水素エネルギーの独自の技術革新と水素消費のエネルギーコストの削減にとって非常に重要です。水素エネルギーの供給を確保・改善し、安全・安定・効率的な水素エネルギー供給ネットワークの構築を加速し、クリーン・低炭素・低コストの多様な水素製造システムを構築するために、中国は水素製造技術の革新と技術革新を強化する必要がある。製品開発を促進し、政策や規制の制約を打ち破り、市場の可能性のある新しい機器やモデルを最初に試すことを奨励します。支援政策をさらに改善し、産業環境を最適化することで、中国の水素エネルギー産業の高品質な発展を支援し、エネルギーのグリーン変革を強力に支援する。
水素エネルギー産業の政策体系を改善する。
現在、「水素エネルギー産業の戦略的位置付けと支援政策」が発表されているが、水素エネルギー産業の具体的な発展方向は明示されていない。産業発展の制度的障害と政策のボトルネックを打破するために、中国は政策革新を強化し、完璧な水素エネルギー管理規範を策定し、製造、貯蔵、輸送、充填の管理プロセスと管理機関を明確にし、水素エネルギーの責任を履行する必要がある。安全監督の責任部門。産業発展を牽引する実証応用モデルを堅持し、輸送、エネルギー貯蔵、分散型エネルギーなどにおける水素エネルギーの多角的な実証開発を総合的に推進する。
地域の実情に応じた水素エネルギー供給システムを構築します。
地方自治体は、地域の水素エネルギー供給能力、産業基盤、市場空間を総合的に考慮し、既存資源と潜在資源の優位性を踏まえ、地域の状況に応じて適切な水素製造方法を選択し、水素エネルギー供給保証能力の構築を実施する必要がある。 、産業副生水素の利用を優先し、再生可能エネルギーからの水素製造の開発に注力する。大規模な水素源の供給需要に応えるため、適格地域が複数のチャネルを通じて協力し、低炭素で安全、安定、経済的な地域水素エネルギー供給システムを構築するよう奨励する。
水素製造装置の技術革新を高める。
水素精製・水素製造の主要機器の研究開発、製造、産業応用の推進に重点を置き、産業チェーンの有利な企業に依存して水素エネルギー機器製品の高品質な開発技術体系を構築する。水素製造分野の大手企業が主導権を握ることを支援し、産業イノベーションセンター、エンジニアリング研究センター、技術イノベーションセンター、製造イノベーションセンターなどのイノベーションプラットフォームを配置し、水素製造装置の主要な問題に取り組み、「専門的かつ特別な新しい支援」を支援する。 「中小企業は水素製造装置の共通技術の研究開発に参加し、コア技術の独立した強力な能力を備えたシングルチャンピオン企業を多数育成する。」
統合された水素製造および水素化ステーションに対する政策支援を強化する。
同計画では、ステーション内で水素の製造、貯蔵、水素化を統合した水素ステーションなどの新たなモデルを模索するには、統合ステーションの建設に関する政策上の制約を根本から打ち破る必要があると指摘している。水素のエネルギー属性を上層部から決定するための国のエネルギー法をできるだけ早く導入する。統合ステーションの建設制限を突破し、統合水素製造・水素化ステーションを推進し、天然ガス資源が豊富な経済発展地域において統合ステーションの建設・運営のパイロット実証を実施する。価格経済と炭素排出基準の要件を満たす統合ステーションの建設と運営に財政的補助金を提供し、関連する主要企業が国家「専門的および特別な新規」企業に申請するのを支援し、統合水素の安全技術仕様と基準を改善する。製造および水素化ステーション。
新たなビジネスモデルの実証・推進を積極的に行う。
ステーションにおける水素の一貫製造、石油・水素・電気の総合エネルギー供給ステーション、「水素・クルマ・ステーション」の連携運営など、ビジネスモデルの革新を促進します。燃料電池車の台数が多く、水素の供給が逼迫している地域においては、天然ガスからの水素製造と水素化の統合ステーションを検討し、天然ガス価格が手頃な地域の推進や燃料電池車の実証運行を促進する。風力発電資源と水力発電資源が豊富で、水素エネルギーの応用シナリオがある地域では、再生可能エネルギーによる統合型の水素製造・水素化ステーションを構築し、実証規模を徐々に拡大し、再現可能で普及した経験を形成し、エネルギー水素の炭素削減とコスト削減を加速する。
(著者:北京義偉知源信息相談センター未来産業研究チーム)
投稿日時: 2022 年 9 月 29 日
